Google科學家揭示量子模擬新突破，未來五年將超越超級電腦

Google的科學家近日公佈了一項全新的「量子模擬」方法，透過結合數位與類比量子模擬的混合技術，已經開始利用量子電腦進行前所未有的科學發現。這項技術被認為將在未來五年內超越現有的超級電腦，並在藥物開發與電池技術等領域帶來重大突破。

量子模擬是一種利用電腦模擬物理過程與大型量子系統（如複雜分子）的技術。其核心在於模擬由量子物理效應主導的物理過程。然而，傳統電腦在處理這類問題時面臨巨大挑戰，因為需要模擬每個粒子與其他粒子的互動作用。由於次原子粒子可能同時處於多種狀態且彼此糾纏，隨著粒子數量的增加，計算複雜度會迅速飆升。

為瞭解決這一難題，科學家轉向量子電腦，因為其運作方式本就遵循量子力學的規則。如果量子位元（qubits）能夠以正確的方式糾纏或連結，它們就能模擬更大的量子系統，而無需逐步計算系統的演化過程。這正是「量子模擬」的關鍵所在。

量子模擬主要分為兩種：數位模擬與類比模擬。數位模擬讓研究人員能夠透過一系列量子位元的糾纏與解糾纏，有選擇性地切換量子狀態。而類比模擬則更為快速，它同時糾纏系統中的所有量子位元，但由於量子位元容易出錯，這也增加了模擬結果變成無意義雜訊的風險。

Google的科學家在2月5日發表於《自然》期刊的研究中，提出了一種新的混合模擬方法，結合了數位與類比模擬的優勢。這種「混合」方法首先利用數位模擬層，科學家在此階段靈活地準備每個量子位元對的初始量子狀態，選擇最合適的起點。接著，過程切換到類比模擬，朝向科學家希望研究的特定量子狀態演化。最後，再回到數位模擬進行微調與探測，以解決模擬物理中最具挑戰性的問題。

Google Quantum AI的創始人兼負責人Hartmut Neven在宣告中表示，這項新研究意味著量子電腦將在未來五年內在實際應用中超越傳統超級電腦。雖然時間預估差異很大，有人認為可能需要長達20年，但也有人樂觀地認為在幾年內就能實現。

科學家已經證明，Google的量子計算晶片（包括Sycamore與新發布的Willow）在某些基準測試中能夠超越最強大的超級電腦。但要真正在實際場景中取得優勢，科學家表示還需在校準與控制精度上進一步改進，並提升硬體效能。此外，他們也需要找到那些既能透過量子模擬解決，又對傳統電腦過於複雜的問題。

然而，這項新的混合研究已經讓現有的量子電腦能夠增強超級電腦的能力，並開始用於新的科學發現。例如，在磁體行為的研究中，Google的科學家探討了磁體在極低溫下的行為，以及能量如何從熱區流向冷區。此外，混合模擬還揭示了Kibble-Zurek機制（KZM）——一個廣泛用於預測材料缺陷形成的模型——並非總是成立，反而揭示了全新的物理現象。這正是混合量子模擬所能帶來的突破性發現之一。